某礦硬巖巷道掘進最優炮孔深度選擇

柴 敏 趙 冉 王芝廣 王曉東 喬英俊 韓 丁

（1.山西亞美大寧能源有限公司；2.晉中市煤炭規劃設計研究院；3.晉中長泰安全科技有限公司）

山西某礦底抽巷掘進工作面圍巖主要為砂質泥巖，掘進巷道為矩形斷面，整個巷道橫跨2個巖層（K6、K7）。巷道埋深為617.7 m，巷道寬為4.6 m，高為3 m，掘進斷面積為13.8 m2。根據測得的抗壓強度:K7細砂巖為107.96 MPa、砂質泥巖為9.68 MPa、K6石灰巖為115.21 MPa，該巷道為硬巖巷道。由于所掘巷道圍巖硬度較高，在使用現有的綜掘機作業時，耗材量比較大，且經常需要停機，大大縮減正常作業時間。除此之外，使用該掘進機掘進時存在的問題還有其適應能力差，面對井下各種復雜的地質情況易受限［1-2］。因此，為形成適應該礦高抽巷工作面地質條件的快速掘進體系，提出引進鉆裝一體機組，解決綜掘機在硬巖巷道效率低的問題，采用工藝為鉆爆法，利用鉆裝一體機組的高效作業方法實施快速掘進［3-5］。

1 模型建立及結果分析

1.1 模型建立

為直觀觀測到快速掘進的效果，利用ANSYS LSDYNA軟件進行爆破數值模擬，對最佳炮孔深度進行選擇。模擬炮孔深度分別為1.2、1.8、2.4 m，其余參數一致，直徑為42 mm、間距為500 mm、裝藥為0.8 kg。模型形狀根據巷道斷面選用立方體，為觀測到爆破對頂板的影響，正面斷面尺寸為4.6 m×4 m，高度為1 m，深度取3 m。

1.2 炮孔深度爆破模擬分析

根據礦方的模擬實驗和經驗確定最佳炮孔間距為500 mm，以炮孔深度為唯一變量，通過對比表1中3個方案得出最優選。

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1.2.1 模型裂隙發育

圖1 ~圖3所示的應力云圖展現出巖石被爆破后的效果，比較3個模型在5 000 μs時的爆破效果圖，炮孔深度為1.2 m（方案一）時，巖石中產生的裂隙向自由面發展，且集中在斷面上部；炮孔深度為1.8 m（方案二）時，巖石中產生的裂隙向自由面發展，且分布較均勻；而炮孔深度2.4 m（方案三）時，產生的裂隙大多集中在巖石的內部，只有少數延伸到自由面。得出2.4 m的炮孔深度時，受到巖石的約束力較大，形成的爆破效果不能達到預期，1.2 m的炮孔深度時，裂隙分布不均勻且集中在斷面上部，對頂板造成一定破壞，對比得出方案二比方案一、三的效果理想。

1.2.2 模型爆破量分析

由表2可以看出，爆破量隨時間而減小，3個方案累計爆破量分別為13.08、12.43、11.36 t，方案三的爆破量相對較小，方案一、二的爆破量都較大，且差別不大。

1.3 模擬結果分析

炮孔深度1.2 m（方案一）時，巖石中產生的裂隙向自由面發展，且集中在斷面上部，爆破量為13.08 t；炮孔深度為1.8 m（方案二）時，巖石中產生的裂隙大多向自由面發展，且分布較均勻，爆破量為12.43 t；炮孔深度為2.4 m（方案三）時，產生的裂隙大多集中在巖石的內部，只有少數延伸到自由面，2.4 m的炮孔深度夾制作用嚴重，且爆破量較小。通過分析，方案一、二的爆破效果都較好。在裂隙發育方面，方案二效果更好，在爆破量方面，方案一效果更好，為進一步選出最佳方案，進行現場爆破工業試驗。

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2 現場工業試驗

在試驗巷道中，分別對方案一、方案二依次進行試驗，按照相同的循環作業方式進行。方案一的爆破效果一般，巷道掘進時，還爆破了部分K7細砂巖，造成巷道頂板不規整，在對頂板進行支護的過程中，這種不規整影響了工作進度和效率；因此，打眼和支護這2個工序消耗的時間最多，每個循環爆破崩落巖石的大塊數為4~5塊，增加了人工破巖的施工工序，日進尺量為3.1 m。方案二的爆破效果較好，巷道掘進時，只爆破了設計斷面尺寸內巖石，巷道頂板規整；在對頂板進行支護的過程中，提高了工作進度和效率，日進尺量為5.2 m，較方案一提高2.1 m。方案二與綜掘機方案相比，解決了綜掘機掘進成本高，工作面環境差，在硬巖巷道的適應能力差等問題，并且提高近2 m的單循環進尺量。

對比爆破效果，從爆破效率、節約成本以及安全作業這3個方面考慮，方案二的爆破取得了較好的爆破效果。

3 結語

為解決山西某礦底抽巷掘進效率低的問題，本研究提出以鉆爆法為主，采用鉆裝一體機組的高效作業方法實施掘進，并通過數值模擬和現場工業試驗，確定炮孔深度1.8 m時掘進效果最佳。